Esperimento sulla luce, misurato il tempo negativo dei fotoni

In una nube di rubidio, i ricercatori hanno osservato una traccia fisica che conferma un effetto quantistico previsto ma finora difficile da interpretare

Misurato in laboratorio un fenomeno che sembra sfidare l’ordine degli eventi. In un esperimento pubblicato su Physical Review Letters, un gruppo di fisici ha osservato che alcuni fotoni possono attraversare una nube di atomi di rubidio mostrando un tempo di permanenza apparente negativo. In termini semplici, il fotone trasmesso sembra uscire dalla nube prima del momento medio in cui dovrebbe essere entrato, se il suo percorso venisse descritto con l’intuizione classica. Non si parla di una macchina del tempo. L’esperimento resta dentro la fisica quantistica standard.

Il punto scientifico è un altro. Il cosiddetto tempo negativo non appare più come un semplice trucco matematico o come un effetto dovuto solo alla forma dell’impulso luminoso. I ricercatori hanno trovato una traccia indipendente negli atomi attraversati dalla luce, misurando direttamente quanto a lungo il fotone abbia lasciato la propria energia nella nube atomica. Il risultato coincide con il tempo negativo dedotto dall’anticipo di arrivo dei fotoni trasmessi.

Il passaggio nella nube di rubidio

L’esperimento usa fotoni diretti verso una nube di atomi di rubidio. Questi atomi possiedono una risonanza con la luce impiegata dai ricercatori. Significa che l’energia del fotone può essere trasferita temporaneamente agli atomi, portandoli in uno stato eccitato. In quel breve intervallo, il fotone non va immaginato come una pallina che attraversa un ostacolo. Nella descrizione quantistica, la sua energia può “abitare” nella nube sotto forma di eccitazione atomica, per poi essere riemessa.

Perché questo processo avvenga in modo efficace, il fotone deve avere un’energia ben definita, compatibile con quella necessaria a eccitare il rubidio. Qui entra in gioco una conseguenza del principio di indeterminazione di Heisenberg. Quando l’energia del fotone è definita con grande precisione, il suo tempo di arrivo diventa meno preciso. Il fotone occupa un impulso luminoso lungo, esteso nel tempo. I fisici non possono indicare con esattezza assoluta il momento in cui entra nella nube, ma possono calcolare un tempo medio di ingresso.

Perché il risultato è così strano

Quando un fotone interagisce con la nube di rubidio, l’esito più probabile è la sua dispersione. L’energia passa agli atomi e viene poi riemessa in una direzione casuale. In questo caso il fotone non arriva al rivelatore posto dall’altra parte della nube. Solo una parte dei fotoni riesce ad attraversare il sistema senza essere dispersa, arrivando sul lato opposto.

Proprio su questi fotoni trasmessi compare l’effetto più sorprendente. Calcolando il tempo medio di ingresso e confrontandolo con il tempo medio di uscita, il fotone sembra arrivare troppo presto. Talmente presto da suggerire una permanenza negativa nella nube. Questo tipo di anticipo era già noto da decenni ed era stato osservato in un esperimento del 1993. Per molto tempo, molti fisici hanno trattato il fenomeno come un effetto apparente. L’idea era che solo la parte iniziale dell’impulso luminoso riuscisse a superare la nube, mentre il resto veniva disperso. In questa lettura, l’arrivo anticipato del fotone non richiedeva di attribuire al tempo negativo un significato fisico profondo.

La domanda posta agli atomi

Aephraim Steinberg, dell’Università di Toronto, era tra gli autori dello studio del 1993 e ha continuato a interrogarsi sul problema. Se il fotone sembra aver trascorso un tempo negativo nella nube, gli atomi attraversati dalla luce mostrano una traccia coerente con questa storia?

Per rispondere, i ricercatori hanno dovuto “chiedere” agli atomi se fossero stati eccitati dal passaggio del fotone. In laboratorio questo significa misurare continuamente lo stato della nube mentre il fotone la attraversa. La difficoltà nasce dal fatto che, in meccanica quantistica, una misura troppo precisa altera il sistema osservato. Se i fisici controllassero con troppa forza se il fotone si trova negli atomi in ogni istante, finirebbero per impedire proprio l’interazione da studiare. È il cosiddetto effetto Zeno quantistico, nel quale l’osservazione frequente blocca l’evoluzione del sistema.

La misura debole che non distrugge il sistema

La soluzione è stata usare una misura debole, poco invasiva ma calibrata con grande precisione. Il gruppo ha fatto passare nella nube un secondo fascio laser, distinto dall’impulso del singolo fotone. Questo fascio di prova non aveva il compito di trasferire l’energia principale agli atomi. Serviva a rilevare piccoli cambiamenti nella fase della luce, legati alla presenza di atomi eccitati.

Una singola ripetizione dell’esperimento fornisce un’indicazione molto imprecisa. Ripetendo la procedura milioni di volte, però, emerge una media affidabile. È proprio questa media a dare il risultato più importante. Il tempo di eccitazione atomica misurato con il fascio debole coincide con il tempo negativo suggerito dall’anticipo di arrivo dei fotoni trasmessi. Secondo gli autori, prima di questo lavoro nessuno si aspettava che due grandezze ricavate con metodi così diversi potessero risultare uguali.

Un effetto reale, senza viaggi nel tempo

Il dato più importante è che il tempo negativo misurato attraverso gli atomi non può essere spiegato soltanto dicendo che passa la parte iniziale dell’impulso luminoso. Quella spiegazione può chiarire l’anticipo osservato nel tempo di arrivo, ma non basta a rendere conto della traccia lasciata nella nube atomica dalla misura debole. Il tempo negativo di permanenza ha un effetto misurabile sul sistema fisico attraversato dal fotone.

Gli stessi ricercatori chiariscono il limite dell’interpretazione. «Purtroppo no. Il nostro esperimento è spiegato interamente dalla fisica standard», scrivono a proposito dell’ipotesi di una macchina del tempo. La formulazione paradossale non autorizza scorciatoie fantascientifiche. Il fotone non consente comunicazioni all’indietro nel tempo e non viola la causalità. Il fenomeno riguarda il modo in cui le quantità quantistiche medie, soprattutto quando vengono selezionati solo certi risultati finali, possono assumere valori che nella fisica ordinaria sembrano impossibili.

Che cosa significa davvero “negativo”

Nel linguaggio comune, dire che qualcosa dura un tempo negativo sembra privo di senso. Nella fisica quantistica, però, alcune grandezze misurate in modo debole e poi mediate su eventi selezionati possono assumere valori fuori dall’intervallo intuitivo. Nel caso dell’esperimento, i fisici considerano solo i fotoni che riescono ad attraversare la nube senza essere dispersi.

Il risultato non descrive la traiettoria nascosta di un singolo fotone come farebbe una cronaca classica. Descrive una proprietà media del processo quantistico, legata all’interazione tra luce e materia. Il tempo negativo produce una conseguenza osservabile sugli atomi. Il lavoro mostra che valori considerati per anni quasi artefatti matematici meritano una lettura fisica più seria.

Una nuova tappa nella fisica della luce

Lo studio si inserisce in una lunga ricerca sul modo in cui la luce attraversa i materiali. Quando un impulso luminoso passa in un mezzo, il suo tempo di gruppo può risultare ritardato oppure anticipato. In certe condizioni, vicino alla risonanza atomica, questo tempo può diventare negativo. La domanda aperta era se tale grandezza rappresentasse davvero il tempo trascorso dal fotone come eccitazione atomica. L’esperimento con il rubidio risponde mostrando una corrispondenza tra il ritardo di gruppo e il tempo medio di eccitazione misurato sugli atomi. Nel preprint collegato allo studio, gli autori indicano valori di eccitazione media che vanno da circa -0,82 ± 0,31 unità normalizzate per gli impulsi più stretti in banda a 0,54 ± 0,28 per quelli più larghi.

Questo non chiude il dibattito sul significato profondo del tempo quantistico. Lo rende più concreto. I fotoni, attraversando una nube atomica, possono produrre un effetto che obbliga a trattare il “tempo negativo” come una grandezza sperimentalmente accessibile. La fisica resta quella nota, con le sue regole controintuitive. Il laboratorio, ancora una volta, mostra che l’intuizione quotidiana funziona male quando si scende alla scala dei quanti.

Nessuna scorciatoia, molta fisica

La forza dello studio sta proprio nella sua prudenza. Gli autori non annunciano rotture della causalità, viaggi temporali o segnali superluminali utilizzabili. Mostrano invece che un concetto ritenuto spesso solo apparente lascia un’impronta reale nel sistema misurato. È un risultato raffinato, poco spettacolare nel senso comune, ma rilevante per capire come si comportano luce e materia quando l’osservazione stessa entra nel fenomeno.

Il “tempo negativo” dei fotoni, dunque, non porta a immaginare orologi che girano al contrario. Porta a una domanda più seria. Quanto sono fisiche le grandezze quantistiche che sembrano paradossali? In questo caso, la risposta sperimentale è netta. Il valore negativo non basta da solo a raccontare una storia classica del fotone, ma corrisponde a un effetto misurabile sugli atomi di rubidio. Ed è qui che il paradosso smette di essere solo un gioco di parole.

A cura della Redazione GTNews

Link dello studio:
Experimental Observation of Negative Weak Values for the Time Atoms Spend in the Excited State as a Photon Is Transmitted | Phys. Rev. Lett.

Roberto Zonca

Roberto Zonca è giornalista professionista, attivo nell’informazione digitale dal 2000. Ha lavorato per oltre venticinque anni nella redazione di Tiscali News, testata considerata tra le esperienze storiche del giornalismo online italiano, nata nella stagione pionieristica del web e cresciuta insieme alla trasformazione digitale del Paese. Oggi dirige GiornaleTecnologico.net.